Phương pháp số: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 8 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Phương pháp số

Phương pháp chia đôi
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
Newton–Raphson
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
Nội suy tuyến tính
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
Quy tắc hình thang
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
Quy tắc Simpson (n chẵn)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
Chặn sai số hình thang
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
Euler
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
Heun
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

Phương pháp

  1. Với một nghiệm: hãy kiểm tra đổi dấu cho phương pháp chia đôi, hoặc tính f và f′ cho Newton, và giữ sáu chữ số trở lên trong bảng các giá trị lặp.
  2. Với một giá trị trong bảng: hãy nội suy tuyến tính giữa hai điểm lân cận.
  3. Với một tích phân: tìm h = (b − a)/n, liệt kê f tại mọi nút, áp dụng các trọng số (1, 2, …, 2, 1 cho hình thang; 1, 4, 2, …, 4, 1 cho Simpson với n chẵn) và nhân với h/2 hoặc h/3.
  4. Với một phương trình vi phân thường: hãy bước từ t₀ với yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Euler) hoặc độ dốc trung bình (Heun), một hàng cho mỗi bước, cho đến khi đạt t được yêu cầu.

Dãy số & chuỗi

Cấp số cộng
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Cấp số nhân
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Chuỗi nhân vô hạn
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
Chuỗi p
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Tiêu chuẩn tỉ số
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Bán kính hội tụ
R = lim |ck/ck+1|
Đa thức Taylor
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Chuỗi Maclaurin
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Chặn sai số Lagrange
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

Phương pháp

  1. Hãy nhận ra loại: cấp số cộng (hiệu không đổi), cấp số nhân (tỉ số không đổi), một chuỗi chuẩn, một chuỗi lũy thừa hay một đa thức Taylor.
  2. Với tổng hãy dùng Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), hoặc S = a₁/(1 − r) khi |r| < 1, với a₁ là số hạng đầu của tổng.
  3. Với sự hội tụ: trước hết là tiêu chuẩn số hạng thứ n, rồi so sánh với Σ1/kᵖ hoặc một chuỗi nhân, và dùng tiêu chuẩn tỉ số hoặc căn cho giai thừa và lũy thừa bậc k.
  4. Với đa thức Taylor hãy liệt kê f(a), f′(a), f″(a), …, chia đạo hàm bậc k cho k!, và chặn sai số bằng M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

Ma trận và định thức

định thức 2×2
det = ad − bc
Ma trận nghịch đảo 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Sản phẩm
(AB)ij = Σk AikBkj
Giá trị riêng
det(A − λI) = 0
Quy tắc Cramer
xi = det(Ai)/det(A)

Phương trình vi phân

Tăng trưởng/suy giảm theo hàm mũ
dy/dt = ky → y = y0ekt
Chu kỳ bán rã
k = ln 2 / t½
Định luật làm nguội Newton
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Thừa số tích phân
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Bể trộn
dm/dt = r·c − (r/V)·m

2Bài tập

1.Phương pháp sốTrung bình

Quy tắc hình thang được dùng cho ∫01 sin x dx. Sai số nhiều nhất là (b − a)³·M/(12n²) với M = max|f″| trên [0, 1]. Hãy tìm số dải nhỏ nhất n đảm bảo sai số dưới 0,0005.

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]ε = 0,0005
n =
2.Phương pháp sốKhó
00,10,20,311,21,4ty(0, 1)

Hãy dùng phương pháp Euler với h = 0,1 cho y′ = t + y, y(0) = 1 để ước lượng y3 ≈ y(0,3).

y′ = t + yy(0) = 1h = 0,1
y3 =
3.Dãy số & chuỗiTrung bình
xx₀ = 0??R

Hãy tìm bán kính hội tụ R của chuỗi lũy thừa Σk=1∞ k!·xᵏ/kᵏ.

Σ k!·xᵏ/kᵏx₀ = 0
R =
4.Dãy số & chuỗiKhó
xyfP₄1,5

Hãy dùng đa thức Maclaurin bậc 4 của f(x) = cos(−x) để xấp xỉ f(1,5). Hãy cho P₄(1,5).

f(x) = cos(−x)n = 4x = 1,5
P₄(1.5) =
5.Ma trận và định thứcTrung bình
A =13040−45−5−5

Tìm định thức det A của ma trận 3×3 A đã cho.

A = [1 3 0; 4 0 −4; 5 −5 −5]
det A =
6.Ma trận và định thứcKhó
A =222−1

Tìm giá trị riêng lớn hơn λ của ma trận A đã cho.

A = [2 2; 2 −1]
λ =
7.Phương trình vi phânTrung bình
t (min)T (°C)24Ta​T = ?

Một tách cà phê ở 86 °C được để trong phòng có nhiệt độ 18 °C. Nó tuân theo định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ). Với k = 0,07 min⁻¹, tìm nhiệt độ T sau 24 phút.

T0 = 86 °CTa = 18 °Ck = 0,07 min⁻¹t = 24 min
T = °C
8.Phương trình vi phânKhó
t (min)m (kg)20 minm = ?

Một bể chứa 400 L nước trong đó hòa tan 10 kg muối. Nước muối với 0,25 kg muối mỗi lít chảy vào với tốc độ 10 L/min, và dung dịch đã trộn đều chảy ra với cùng tốc độ. Sau 20 phút trong bể có bao nhiêu muối m?

V = 400 Lm0 = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 10 L/min
m = kg

3Dung dịch

1.Phương pháp số

Đáp số: n = 12

Tích phân số: chia [a, b] thành n dải rộng h = (b − a)/n với các nút x₀ … xₙ. Quy tắc hình thang: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Quy tắc Simpson (n chẵn): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Sai số của hình thang giảm như h² (chặn (b − a)h²·M/12 với M = max|f″|), của Simpson như h⁴, nên Simpson thường chính xác hơn nhiều với cùng các nút.

Chặn của đạo hàm cấp hai

M = sin 1 = 0,8415

Giải tìm n

n² > 1·0,8415/(12·0,0005) = 140,2
n > 11,84 → n = 12

Đáp số

n = 12
2.Phương pháp số

Đáp số: y3 = 1,362

Nghiệm số của y′ = f(t, y): phương pháp Euler đi theo độ dốc tại điểm đầu của mỗi bước: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Phương pháp Heun (Euler cải tiến) lấy trung bình độ dốc tại điểm đầu và tại điểm dự đoán của Euler: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Phương pháp Runge–Kutta cổ điển (RK4) kết hợp bốn độ dốc: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Sai số toàn cục của Euler tỉ lệ với h, của Heun với h², của RK4 với h⁴.

ntₙyₙf(tₙ, yₙ)yₙ₊₁00111,110,11,11,21,2220,21,221,421,362

Các bước Euler

y₁ = 1 + 0,1·(1) = 1,1
y₂ = 1,1 + 0,1·(1,2) = 1,22
y₃ = 1,22 + 0,1·(1,42) = 1,362
00,10,20,311,21,4ty

Đồ thị

y3 = 1,362

Đáp số

y3 = 1,362

Giá trị chính xác là y(0,3) = 1,399718.

3.Dãy số & chuỗi

Đáp số: R = 2,718

Hội tụ: nếu các số hạng không tiến về 0 thì chuỗi phân kỳ (tiêu chuẩn số hạng thứ n). Σ1/kᵖ chỉ hội tụ khi p > 1, và Σrᵏ chỉ khi |r| < 1. Hãy so sánh một chuỗi với một trong các chuỗi này khi các số hạng của nó có dạng giống chúng với k lớn. Tiêu chuẩn tỉ số: L = lim |ak+1/ak|; tiêu chuẩn căn: L = lim |ak|1/k. L < 1 hội tụ, L > 1 phân kỳ, L = 1 không kết luận được. Một chuỗi lũy thừa Σck(x − x₀)ᵏ hội tụ khi |x − x₀| < R với R = lim |ck/ck+1|; một chuỗi đan dấu có các số hạng giảm dần về 0 thì hội tụ.

Các hệ số

ck/ck+1 = (1 + 1/k)ᵏ → e

Bán kính

R = 2,718

Đáp số

R = 2,718

Tiêu chuẩn tỉ số không cho kết luận tại hai đầu mút; chúng phải được kiểm tra riêng.

4.Dãy số & chuỗi

Đáp số: P₄(1.5) = 0,08594

Đa thức Taylor: gần x = a một hàm trơn được xấp xỉ bằng Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; với a = 0 đây là đa thức Maclaurin. Các chuỗi chuẩn: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Chặn sai số Lagrange: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, trong đó M là giá trị lớn nhất của |f⁽ⁿ⁺¹⁾| giữa a và x.

Đa thức Maclaurin

P₄(x) = 1 − 0,5x² + 0,04167x⁴

Thay giá trị

P₄(1,5) = 1 − 1,125 + 0,210938 = 0,08594

Đáp số

P₄(1,5) = 0,08594

Giá trị chính xác là f(1,5) = 0,0707372; sai số −0,0152003 giảm khi bạn lấy thêm số hạng hoặc một điểm gần 0 hơn.

5.Ma trận và định thức

Đáp số: det A = −20

Ma trận: định thức của ma trận 2×2 là ad − bc. Với 3×3, khai triển theo một hàng: mỗi phần tử nhân với định thức của ma trận 2×2 còn lại sau khi bỏ hàng và cột của nó, với dấu xen kẽ + − +. Các giá trị riêng λ là nghiệm của det(A − λI) = 0; với 2×2 đó là λ² − (vết)·λ + det = 0.

Các định thức con 2×2 của hàng đầu

M₁₁ = −20, M₁₂ = 0, M₁₃ = −20

Khai triển phần bù đại số

det A = 1·(−20) − 3·0 + 0·(−20) = −20

Đáp số

det A = −20
6.Ma trận và định thức

Đáp số: λ = 3

Ma trận: định thức của ma trận 2×2 là ad − bc. Với 3×3, khai triển theo một hàng: mỗi phần tử nhân với định thức của ma trận 2×2 còn lại sau khi bỏ hàng và cột của nó, với dấu xen kẽ + − +. Các giá trị riêng λ là nghiệm của det(A − λI) = 0; với 2×2 đó là λ² − (vết)·λ + det = 0.

Phương trình đặc trưng

λ² − (1)λ + (−6) = 0

Giải

λ = (1 ± √(25))/2 → λ = −2, 3
λ = 3

Đáp số

λ = 3
7.Phương trình vi phân

Đáp số: T = 30,67 °C

Phương trình vi phân cấp một: dy/dt = k·y có nghiệm y = y₀·ekt (tăng trưởng khi k > 0, suy giảm khi k < 0); chu kỳ bán rã T cho k = ln 2/T. Định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), cho T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Phương trình tuyến tính y′ + p(x)·y = q(x) được giải bằng thừa số tích phân μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, nên μy = ∫μq dx + C.

Nghiệm của định luật làm nguội

T(t) = 18 + 68·e−0,07t

Thay t

T(24) = 18 + 68·0,1864 = 30,67 °C

Đáp số

T = 30,67 °C
8.Phương trình vi phân

Đáp số: m = 45,41 kg

Phương trình vi phân cấp một: dy/dt = k·y có nghiệm y = y₀·ekt (tăng trưởng khi k > 0, suy giảm khi k < 0); chu kỳ bán rã T cho k = ln 2/T. Định luật làm nguội của Newton, dT/dt = −k·(T − Tₐ), cho T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt. Phương trình tuyến tính y′ + p(x)·y = q(x) được giải bằng thừa số tích phân μ = e∫p dx: (μy)′ = μq, nên μy = ∫μq dx + C.

Thiết lập phương trình

dm/dt = 10·0,25 − (10/400)·m = 2,5 − 0,025·m

Giải

Thừa số tích phân là ert/V; nghiệm tiến tới giá trị cân bằng c·V.

m(t) = 100 + (−90)·e−t/40

Thay t

m(20) = 100 + (−90)·0,6065 = 45,41 kg

Đáp số

m = 45,41 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods